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On sait que dans les tours de réfrigération, le refroidissement de l'eau par l'air s'opère en dispersant l'eau au contact d'un courant d'air, qui s'échauffe et se sature de vapeur d'eau, enlevant ainsi à l'eau les calories à dissiper.
L'eau est dispersée et finement divisée sur un système de ruissellement traversé par le courant d'air. On a démontré depuis très longtemps que la transmission des calories est analogue. à celle d'un échangeur, non en fonction de la différence de température, mais en fonction des chaleurs totales de l'air selon la formule:
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d Q = k ( i - i') d S dans laquelle:'
Q = quantité de chaleur transmise i = la chaleur totale par kg. d'air sec de l'air saturé à la température de l'eau i'= la chaleur totale de l'air par kg. d'air sec k = le coefficient de transmission
S = la surface de contact constituée par le système de ruissellement d'eau, y compris la pluie et les gouttes d'eau en mouvement, étant bien.entendu que la circulation des fluides, comme dans un échangeur, est à contre-courant, selon la figure 1 des dessins ci-joints. L'eau chaude 21 tombe verticalement en pluie 22 sur le système de ruissellement 23. L'air frais 24 est admis à la partie inférieure au contact de l'eau froide 25, traverse la pluie d'eau verticalement à contre-courant et l'air chaud 26 sort à la partie supérieure au contact de l'eau claude 21.
Il est donc connu également qu'au point de vue efficacité de la dite surface S, la circulation à contre-courant (fig.l) est nettement supérieure au courant croisé, ou transversal se (fig. 2), laquelle/comprend d'elle-même avec les mêmes notations que ci-dessus.
Cependant, la conception du réfrigérant à courant transver- sal peut conduire à une résistance moindre au passage de l'air.
C'est pourquoi on'rencontre les deux dispositifs, la. supériorité étant reconnue pour un système à contre-courant faiblement résistant.
D'autre part, la mise en mouvement de l'air peut se faire par tirage naturel ou par tirage mécanique (ventilateurs).
C'est ainsi que.l'on arrive finalement aux quatre dispositifs des figures 3, 4, 5, 6.
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Les figures 3 et 4 schématisent les systèmes à contre- courant et courant transversal avec tirage naturel : le système de ruissellement est surmonté' d'une haute cheminée 1, et la', différence de densité entre l'air frais extérieur et l'air humide chaud intérieur, provoque le tirage nécessaire au déplacement de l'air. Dans les appareils importants de 60 à 80 m, de hauteur, la dépression créée est de quelques millimètres d'eau, par exemple 3 à 5 mm. La vitesse de l'air dans. la cheminée est de l'ordre de 2 à 3 m/sec.
Les fig. 5 'et 6 schématisent les mêmes systèmes à contre-courant et courant transversal avec tirage mécanique (ventilateur aspirant) appelé aùssi "tirage induit" ("induced draft").
La ventilation mécanique permet, par définition, de faire passer le débit d'air voulu, sous une dépression voulue.
Ainsi, pour des conditions de fonctionnement thermique identiques, elle permet de concentrer la 'surface de ruissellement. Ces appareils à tirage induit occupent un encom- brement sensiblement moindre, et, compte tenu de l'absence de la haute cheminée de tirage, ils sont d'un prix moins élevé. Par contre, du fait de cette "concentration" de mètres/ l'appareil, de la vitesse de l'air de 8 à 10/sec. dans le ventilateur, la 'pression totale est de 10 à 15 mm. d'eau, et la puissance absorbée est importante.
Le réfrigérant à tirage naturel est -donc plus c'oûteux, et, par contre, le réfrigérant à tirage induit absorbe une puissance importante.
De plus, il présente l'inconvénient de dégager les buées d'évaporât ion à environ 12 à 15 m. du sol, au lieu de 80 m.
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Pour les unités importantes, ce dégagement de buées est énorme, crée/dans les environs un brouillard intense et du verglas, et.provoque surtout le phénomène redouté de la "recirculation" de l'air, c'est-à-dire que des buées sont re-aspirées par le réfrigérant avec l'air frais (flèches en pointillé 27) et réduisent l'efficacité du refroidissement, parfois de 3 à 4 C.
Il faut enfin signaler que, naturellement, la dépression d'une cheminée de réfrigérant à tirage naturel est fonction des températures de l'eau, et diminue de plus en plus lorsque ces températures se rapprochent de la limite de réfrigération (approches faibles). Les appareils à tirage naturel deviennent de plus en plus encombrants au fur et à mesure que l'on désire des températures d'eau de plus en plus basses. Le même phé- nomène se passe pour des températures ambiantes élevées (pays de,climats chauds, pays tropicaux).
(On appelle "approche" ("appriach") la différence de températures entre la température des eaux refroidies et la température limite de réfrigération théorique représentée par la température humide ("wet bulb") de l'air ambiant).
L'avantage du tirage induit provient toujours du fait qu'on peut réaliser le débit d'air voulu, quelles que soient les conditions d'ambiance et de refroidissement.
L'écart de'prix entre les réfrigérants à tirage naturel et ceux à tirage induit s'accroît avec les basses températures d'eau d'une part, (faibles approches) et les températures d'air élevées d'autre part, mais au prix d'une absorption de puissance.
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Tout ce qui précède peut se résumer comme suit : - Supériorité de la circulation à contre-courant sur la circulation transversale.
- tirage naturel: a) Puissance de ventilation nulle, b) Dégagement à grande hauteur des buées d'évaporation, c) appareil statique, dépourvu d'organes @ (moteurs, ,ventilateurs, réducteurs, etc.-) néces'sis- tant entretien et remplacement périodiques, d) Prix plus élevé, d'autant plus que l'approche est faible, et que la température ambiante est élevée.
- Tirage induit: a)'Encombrement et prix réduits et ce, surtout dans les conditions d'approche faible et température ambiante élevée, b) Puissance absorbée importante, c) Organes mécaniques sujets à entretien et remplacement, d) Dégagement des buées à faible hauteur et recirculation de ces buées.
On conçoit, dans ces conditions, que les spécialistes aient cherché, depuis longtemps, à combiner les deux types de réfrigérants à tirage naturel et à tirage mécanique.
Certains ont imaginé la disposition de la f ig. 7 (brevet allemand Sorge du 10.11.192 - brevet français 588.547 du 4.2.1925). C'est un réfrigérant à contre-courant dans la cheminée duquel on place un ventilateur devant soi-disant aspirer l'air chaud et saturé sortant du ruissel- lement, et qui, formant effet de tuyère, provoque une aspiration d'air dans l'espace 28 compris entre ventilateur et cheminée. Il est évident que, selon cette disposition, l'aspiration du ventilateur, exerçant son influence sur toute
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la masse d'air qui l'entoure, provoque un circuit partiel inver- se selon les flèches en pointillé. L'effet recherché n'est donc pas réalisé, au contraire.
Une autre disposition, dont le fonctionnement est plus valable, est celle de la fig. 8 des dessins ci-joints (brevet allemand Muller n 531.366). Lteau est distribuée en pluie sur un système de ruissellement à aération transversale. La partie supérieure 29 de ce système de ruissellement est sous l'action du tirage naturel de la cheminée, tandis que la partie inférieure 30 se trouve sous l'action d'un ventilateur, dont l'échappement d'air exerce un effet favorable de tuyère.
La disposition de la fig. 9 des dessins ci-joints (brevet Balcke déposé en Allemagne le 25 août 1930 ou brevet français n 720.676 du 4.12.1931), dérive de la précédente uniquement par le fait que les deux parties de ruissellement sont séparées, permettant ainsi que la partie supérieure 31 fonctionne en aération à contre-courant.
Dans ces deux dispositions, la totalité de l'eau tombe en pluie sur deux parties de système de ruissellement situées l'une ah-dessus de l'autre, et soumises à deux flux d'air différents. Ces deux parties de ruissellement sont "en série" au point de vue "eau", sur deux flux d'air frais, 1' eau répartie à la partie supérieure devant forcément traverser successivement les deux systèmes de ruissellement.
La présente invention consiste en un système de réfrigé- ration mixte, à tirage naturel et à tirage induit mécanique, caractérisé en ce que le tirage mixte provoque deux flux d'air @@stinctsz, chacun traversant un système de ruissellement distinct, les deux systèmes de ruissellement fonctionnant en parallèle au point de vue "eau".
Une autre caractéristique de l'invention consiste en ce que les systèmes de ruissellement sont aérés à contre-courant.
Des moyens sont prévus pour alimentation propre en eau chaude des deux systèmes de ruissellement, et répartition à volonté dans des proportions différentes de l'eau chaude sur les deux'systèmes de ruissellement.
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La figure 10 des dessins ci-joints représente schématique- selon la présente invention ment une disposition/de réfrigérant mixte, à tirage naturel et à tirage induit mécanique, selon laquelle un réfrigérant à ventilateur aspirant, aéré à contre-courant, est placé à l'intérieur d'un réfrigérant à tirage naturel, aéré à contre-courant, l'eau à refroidir étant admise sur l'ensemble des deux réfrigérants, dans des proportions variables,et réglables à volonté, sur les deux réfrigérants, qui fonctionnent ainsi en'parallèle.
En se reportant à la figure 10, une cheminée, de grande hauteur 1 comporte sur tout son pourtour une entrée d'air li avec admission d'air frais 24 et, en-dessous un bassin 12 de recueillement des eaux.
A l'intérieur de cette tour se trouve un second appareil réfrigérant 14, qui est un réfrigérant à ventilateur aspirant et.à contre-courant 32. La partie comprise entre ce réfrigérant à ventilateur aspirant et la tour 1, comporte un ruissellement destiné au fonctionnement du réfrigérant à tirage naturel. Ce ruissellement 33 fonctionne également en contre-courant.
L'eau à refroidir 21 est admise dans des proportions variables et réglables à volonté, sur l'ensemble des deux systèmes de ruissellement qui fonctionnent en parallèle.
Le réfrigérant à ventilateur aspirant est isolé de la partie tirage naturel par une cloison 8, à la base de laquelle sont aménagées des'ouvertures 15, permettant l'afflux d'air aspiré par le ventilateur.
Le bassin 12 est commun et unique pour les deux parties du réfrigérant.
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La partie de ruissellement 32 intéressée par le .ventilateur est isolée de la partie tirage naturel et au-dessus de la distribution d'eau, par une enveloppe 16, terminée par une virole 17, à l'intérieur de laquelle se meut un ventilateur 3.
Au-dessus de la virole 17 se trouve une cheminée 2, pouvant être cylindrique ou conique en forme de diffuseur, et par laquelle s'évacuent les buées de la partie de réfrigérant à ventilation aspirée.
C'est dans la' partie de la tour située au-dessus de la cheminée du réfrigérant à ventilateur que s'effectue le mélange des buées s'échappant tant du ventilateur que du système. de ruissellement à aérage naturel.
L'échappement des buées se faisant à grande vitesse, il se crée dans la tour à ce niveau Une dépression dûe @ à cette grande vitesse et qui provoque un tirage complémentaire au tirage naturel dans la partie du réfrigérant n'étant pas intéressée par le ventilateur.
Ceci a pour effet d'augmenter fortement le débit dtair passant dans le ruissellement à tirage naturel, et, par conséquent, le rendement de l'ensemble de l'installation.
Ainsi qu'il a été exposé plus haut, les dispositifs connus comportent deux systèmes de ruissellement en série, sous deux flux d'air différents, la totalité de l'eau devant parcourir successivement les deux systèmes de ruissellement, un seul d'entre eux à contre-courant dans le cas le plus favorable de la fig. 9..
Selon le dispositif faisant l'objet de la présente invention, au contraire, l'eau chaude est distribuée sur deux systèmes de ruissellement fonctionnant en parallèle avec leur flux d'air à contre-courant, avec répartition de l'eau à volonté sur les deux systèmes.
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Ce dispositif réunit tous les avantages des réfrigérants à tirage naturel et à tirage mécanique.
En période très chaude, il fonctionne avec le ventilateur en service à son maximum et avec une répartition d'eau bien proportionnée sur les deux parties du réfrigérant. L'induction provenant de la grande vitesse de sortie d'air du ventilateur provoque une dépression complémentaire à celle du tirage naturel,'et facilite celui-ci dans les périodes chaudes où la dépression naturelle est la plus faible.
En période très froide, par contre, on pourra réduire le débit d'air du ventilateur, et même arrêter celui-ci complètement) en même temps qu'on pourra reporter tout ou partie du débit d'eau sur 'le système de ruissellement à tirage naturel.
Entre ces deux extrêmes, on peut faire varier à volonté le débit d'air et la répartition de l'eau, en vue de l'obtention de la température d'eau froide désirée avec le minimum de puissance de ventilation.
Ainsi, ce réfrigérant mixte peut fonctionner uniquement en tirage naturel (gentilateur arrêté), l'eau étant répartie sur l'ensemble des deux systèmes de ruissellement, avec un débit d'eau modéré sur le système de ruissellement à tirage mécanique. Lorsque l'on met le ventilateur en service, en prévoyant plusieurs vitesses de rotation, on peut augmenter de plus en plus le débit d'air jusqu'au maximum, en augmentant simultanément la fraction d'eau destinée au système de ruissellement à tirage mécanique, et en améliorant ainsi de plus en plus l'effet de refroidissement. Le réglage à volonté des débits d'air et d'eau dans les deux systèmes de ruissellement donne le maximum de possibilité avec la plus grande souplesse d'exploitation.
Cela permet d'obtenir une très grande gamme de températures d'eau refroidie s'adaptant le mieux possible aux besoins de l'exploitant
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et aux variations journalières ou saisonnières des conditions atmosphéri ques .
Un tel réfrigérant mixte, pour des conditions fonctionnelles bien déterminées, est de dimensions plus réduites, donc d'un moindre prix, que le réfrigérant à tirage naturel pur donnant les mêmes résultats.
En fait, il est évident que son prix se situe entre les deux prix extrêmes que constituent ceux du réfrigérant à tirage naturel pur et du réfrigérant à tirage mécanique pur. La puissance de ventilation mécanique n'est aussi qu'une fraction de celle qu'absporberait le réfrigérant correspondant à tirage mécanique pur.
On conserve tout l'avantage de la ventilation mécanique dans les conditions atmosphériques chaudes.
On conserve en grande partie l'avantage du tirage naturel conduisant à une réduction importante de puissance.
On conserve intégralement l'avantage très important de dégager à grande hauteur les buées d'évaporation et d'éviter totalement le phénomène redouté de la recirculation.
La caractéristique essentielle du réfrigérant mixte selon l'invention est, compte tenu des avantages déorits ci-avant, d'une part, de réaliser pour les deux systèmes de ruissellement fonctionnant en parallèle, l'aération idéale à contre-courant, et, d'autre part, de permettre toutes les' possibilités de réglage et de variation des débits d'air et d'eau dans les deux systèmes, en vue de l'obtention du meilleur rendement en fonction des conditions atmosphériques et d'exploitation.
Au besoin, toute l'eau peut être répartie sur l'un des systèmes seulement, ce qui donne les plus grandes facilités pour l'entretien et les réparations éventuelles.
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Signalons accessoirement qu'un tel réfrigérant mixte résoud favorablement le problème de la formation de glaces à l'aspiration d'air en période de fortes gelées.
La répartition des eaux sur l'une ou l'autre partie de l'appareil peut se faire de manière aisée.
A cet égard, la fig. 11 montre, à titre d'exemple, un mo@ de réalisation de l'invention, complétant, en reprenant la même numérotation, la description faite ci=avant.
Dans le bassin 12 se trouve l'arrivée d'eau chaude'13, les eaux étant distribuées à la fois sur la partie en tirage naturel, par les canaux 4 et 5, et sur la partie en tirage forcé, par les canaux 7.
Ces canaux comportent des vannes de réglage permettant d'admettre des proportions d'eau différentes sur le tirage naturel ou sur le tirage f orcé.
A titre d'exemple, ces canaux permettent d'admettre, soit la totalité des eaux sur la partie extérieure du ruissellement, c'est-à-dire Impartie tirage naturel,soit la totalité sur la partie intérieure, c'est-à-dire la partie intéressée par le réfrigérant à ventilateur aspirant, soit des rapports moitié-moitié, ou un tiers-deux tiers, ou toute autre possibilité de rapport 'sur la partie à ventilateur aspirant ou à' aération naturelle.
De ces canaux partent des faisceaux de tuyauterie 6, qui distribuent les eaux à l'intérieur de tout le réfrigérant. Les eaux ruissellent alors sur les éléments de ruissellement .,9 pour la partie intéressée par le ventilateur aspirant, et 10 pour la partie intéressée par le tirage naturel, où elles sont refroidies en contre-courant.
Pour les unités de réfrigération très importantes, il peut être prévu, à l'intérieur de la grande cheminée à tirage naturel, plusieurs cellules à ventilation mécanique aspirée.
Les principes et fonctionnement restent identiques.